电催化臭氧水处理过程中含卤副产物的生成机理与控制

The electro-peroxone (EP) process is a novel electrocatalytic ozonation technology. By coupling conventional ozonation with electrochemical process, the EP process greatly enhances the degradation of organic pollutants and improves the performance of water treatment. It has therefore been considered a promising technology for water treatment. However, it is still unclear how halogen elements (e.g., chlorine, bromine, and iodine, which are ubiquitous in various aquatic systems) are transformed and what harmful halogenated by-products they may form during the EP process. This has severely bottlenecked the practical application of EP technology in drinking water treatment. In this light, this project is going to investigate systematically the mechanisms of halogen transformation and evaluate the strategies for controlling the halogenated by-products in the EP process. It aims to reveal the reaction mechanisms of halogen species in the coupled ozonation and electrochemical process, and to identify the species, distribution, formation mechanisms, and influencing factors of major halogenated by-products. Based on mechanistic investigations, the strategies for controlling halogenated by-products would be proposed and tested for the EP process. It is expected that by developing novel electrodes and optimizing operational conditions, the formation of undesired halogenated by-products could be effectively controlled when the EP process is applied to abate micropollutants in drinking water. This study would provide fundamental understanding and technical support for the application of EP process and the insurance of water quality and safety, and promote the science of combined ozonation and electrochemical processes.

Electro-peroxone(EP)是一项新型的电催化臭氧水处理技术。它通过耦合臭氧和电化学技术，极大地强化了有机污染物的降解效率,提高了水处理的性能，被认为在水处理领域具有良好的应用前景。但是，目前对各类水体中普遍存在的氯、溴和碘等卤素在臭氧与电化学耦合系统中的转化规律及可能生成的有害含卤副产物尚缺乏认识。这严重制约了EP电催化臭氧技术在饮用水处理领域的应用。针对此瓶颈问题，本项目拟开展卤素在EP电催化臭氧水处理过程中的转化及含卤副产物控制研究，阐明卤素在臭氧和电化学耦合系统中的反应机理和转化规律，确定主要含卤副产物的种类、分布、生成机理和影响因素，提出含卤副产物的控制策略，通过制备新型电极、优化水处理过程等手段，在高效降解水中微污染物的同时，有效控制含卤副产物生成。研究结果将为EP电催化臭氧技术的实际应用、保障水质安全提供理论基础和技术支撑，并推进臭氧与电化学耦合技术的科学理解。

Electro-peroxone (EP)电催化臭氧技术是本课题组发明的一项新型水处理氧化技术。该技术通过利用臭氧曝气中富余的氧气原位电化学合成过氧化氢，促进臭氧转化为羟基自由基，可以显著强化污染物去除的速率，降低水处理能耗和缩短水处理时间，具有高效、低耗、安全、清洁、灵活等优点，被普遍认为是现有高级氧化技术优越的替代技术。但是，EP电催化臭氧技术是一项臭氧和电化学的耦合技术，可能会生成溴酸盐、含氯有机物等在传统臭氧和电化学氧化水处理过程中常见的有害副产物。以往的研究对EP电催化臭氧过程中含卤副产物的种类、分布和生成机理等还缺乏足够的认识，难以科学地指导制定含卤副产物的控制策略。针对此问题，本项目系统研究了氯、溴等卤素离子在EP电催化臭氧过程中的转化规律和含卤副产物的生成机理，并据此提出了含卤副产物的控制策略。研究发现，次氯酸和次溴酸是氯、溴离子转化为溴酸盐、氯酸盐、氯代和溴代有机物等副产物重要的中间产物；通过优化EP电催化臭氧过程中的电流密度等参数，调控过氧化氢的电化学合成速率，生成适量的过氧化氢，利用过氧化氢可以快速还原次氯酸和次溴酸为氯、溴离子的特性，可以阻断氯、溴离子转化为有害含卤副产物的途径，在强化污染物去除的同时，有效控制有害含卤副产物的生成，满足饮用水含卤副产物的标准，保证饮用水安全。在机理研究的基础上，开展了EP电催化臭氧技术饮用水深度处理中试研究，系统评估了工艺的技术经济性，证明了该技术在水处理中的可行性，并进一步开发了EP电催化臭氧-生物活性炭滤池一体化装备，在饮用水厂进行了应用示范（处理量100 m3/天），取得了良好的环境和经济效益。研究结果表明，EP电催化臭氧技术成功解决了传统氧化技术效率低、能耗高、副产物多等瓶颈问题，全面提升了水处理性能，是一种极具应用前景的新技术。本项目的研究成果增进了电化学与臭氧耦合技术的科学理解，为EP电催化臭氧技术在水处理中的实际应用奠定了基础，对保障水质安全具有重要意义。